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8/2/2019 ciclones seminario

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MODELO PARA USO DEMODELO PARA USO DE

HIDROCICLONES EN SEPARACIONESHIDROCICLONES EN SEPARACIONES

DE SUSPENSIONES NO NEWTONIANASDE SUSPENSIONES NO NEWTONIANAS

Enrique Ortega RivasEnrique Ortega RivasFacultad de Ciencias Qumicas

Universidad Autnoma de Chihuahua


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Partes de la Charla:

Introduccin

Caractersticas

Ventajas y desventajas

Aplicaciones convencionales

Teora: Interacciones partcula-fluido

Variables de operacin

Enfoque adimensional Consideraciones para fluidos no

Newtonianos


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Introduccin: Diagrama Esquemticode un Hidrocicln

Clarificado

Concentrado

Alimentacin


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Introduccin: Fotografas deDiferentes Diseos


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Introduccin: Caractersticas Tpicas

Rango de dimetro: 10 mm a 2.5 m

Rango de corte: 2 a 250 m

Rango de capacidad: 0.1 a 7200 m3/h Cada de presin: 0.34 a 6 bar

Mxima concentracin de slidos: 50%


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Introduccin: Ventajas

Versatilidad (clarificacin, clasificacin,concentracin, separaciones gas-lquido)

Facilidad de construccin, instalacin ymantenimiento

Unidades pequeas (ahorro de espacio)

Esfuerzos cortantes altos (corte fino, evita laaglomeracin)


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Introduccin: Desventajas

Inflexibilidad (rgidos en construccin con

poca posibilidad de variaciones de diseo)

Capacidad y eficiencia (punto de corte) enrelacin inversa

Esfuerzos cortantes altos (desventaja a altasconcentraciones por imposibilidad de usarfloculantes)


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Introduccin: AplicacionesConvencionales

Clarificacin de lquidos

Espesamiento de lodos

Clasificacin de slidos Granulometra de partculas

Separaciones gas-lquido y

lquido-lquido


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Introduccin: Cmo Operan en laRealidad?


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Introduccin: Cmo Lucen enOperacin?


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Aspectos Tericos

Fuerza de friccin a bajas concentraciones de slidos:

El nmero de Reynolds de partcula se define como:

La fuerza de friccin tambin se puede expresar como:

La combinacin de las ecuaciones anteriores origina:CD=24/Rep (Rep


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Aspectos Tericos

Ecuacin de equilibrio en cada libre:

Para separaciones difciles (Ley de Stokes):

Para campos centrfugos (Ley de Stokes):

mdu

dtma ma F

s

D=

uX g

gs=

2

18

( )

uX R

rs=

2 2

18

( )


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Aspectos Tericos: Limitaciones de laLey de Stokes

Nunca se aplica con exactitud

El error se incrementa con el valor de Rep

Las partculas finas son sujetas a difusin Existen problemas con formas irregulares

Slo aplica para sistemas diluidos y nofloculantes


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Aspectos Tericos: Limitaciones de laLey de Stokes

Para suspensiones concentradas (sedimentacinobstaculizada) se requiere una correccin por

concentracin con ecuaciones como la de

Richardson y Zakii:

u

uC

s

= ( ) .1 4 65


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Variables de Operacin

Se debe mantener una cada de presin quegarantice un caudal estable y origine un campo

centrfugo de magnitud considerable para que seaposible la sedimentacin centrfuga. Como seindic anteriormente, la capacidad y la eficiencia

varan en forma inversamente proporcional: a

mayor capacidad menor eficiencia y viceversa


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Variables de Operacin y Diseo:Efectos Generales

El dimetro del cicln y el punto de cortevaran en relacin directa

El dimetro del cicln y la capacidad

varan en relacin directa El dimetro del cicln y la cada de

presin varan en relacin inversa

La concentracin y la eficiencia (punto decorte) varan en relacin inversa


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Enfoque Adimensional

Se utiliza una geometra estndar de hidrociln yse derivan correlaciones utilizando grupos

adimensionales y respetando los escalamientosproporcionales. El diseo de mejor eficiencia deseparacin es el conocido como Hidrocicln deRietema, que tiene las proporciones mostradas

en la figura


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Hidrocicln

de Rietema

0.2Dc

0.4Dc

0.34Dc

Dc

5Dc

0.28Dc

20


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Enfoque AdimensionalSe pueden utilizar nmeros adimensionales, tales como:

El nmero de Euler:

El nmero de Reynolds (del sistema):

El nmero de Stokes:

EuP

v=

22

Re =D vc

StkX v

Ds

c

5050

2

18=

( )


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Enfoque Adimensional

Las ecuaciones mencionadas utilizan la velocidadlineal caracterstica del hidrocicln:

vQ

Dc=

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El anlisis dimensional deriva en tres correlaciones

bsicas entre los nmeros adimensionales definidos:

Stk50Eu = constante

Eu = kp(Re)np

Stk50(r) = k1(1-Rf)exp(k2C)


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Grficas Tpicas que Representan lasCorrelaciones entre NmerosAdimensionales

0

100

50

Rf X50

Eficiencia de

separacin corregida,G(X)

Eficiencia deseparacin real, G(X)

X50

%

X


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Grficas Tpicas que Representan lasCorrelaciones entre NmerosAdimensionales

101

102

104

103

102

106105104103

Re

Eu


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Correlaciones Derivadas Para BajasConcentraciones (Medronho y Svarovsky)

Stk50Eu = 0.047[ln(1/Rf)]0.74exp(8.96C)

Eu = 71(Re)-0.116(Di/Dc)-1.3exp(-2.12C)

Rf= 1218(Du/Dc)4.75(Eu)-0.30

Se utilizan, en general, para suspensiones diluidas

de slidos generalmente inertes. Fueronverificadas con una serie de materiales comocarbonatos, silicatos, etc. Se utiliz la geometra

de Rietema


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Consideraciones para Suspensionesms Concentradas y para la Posibilidadde Comportamiento no Newtoniano

Las suspensiones de slidos muy finos, as como demuchos materiales biolgicos, se comportan comofluidos no Newtonianos

Los fluidos no Newtonianos mejor caracterizados sonlos fluidos de la ley de la potencia

Desde que dos de los nmeros adimensionalesutilizados en modelado de hidrociclones incluyen la

viscosidad, deben re-expresarse para tomar encuenta el hecho de que sta pasa a ser variable ensuspensiones no Newtonianas


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Ortega-Rivas y Svarovsky derivaron las siguientescorrelaciones para tomar en cuenta la caracterstica

no Newtoniana de suspensiones:

Stk*50Eu = 0.006[ln(1/Rf)]2.37exp(6.84C)

Eu = 1686(Re*)-0.035exp(-3.39C)

Rf= 32.8(Du/Dc)1.53(Re*)-0.34exp(3.70C)


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A su vez, Stk*50 y Re* se expresan por:

c

n

1n

)n2(

s

)1n(

50*

50

Dn3

1n2)3(K18

v)(XStk

+

=

+

n1n

n2n

c

n4

1n3)8(K

vD*Re

+

=


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Los parmetros de caracterizacin de fluidos nonewtonianos Ky n, se conocen como ndice de

consistencia de fluido e ndice de comportamiento deflujo, respectvamente, y se encuentran relacionados

en la ecuacin que representa la ley de la potencia:

= K n( & )

y se determinan experimentalmente por medio deviscometra rotacional, utilizando un reograma


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Reograma para Evaluacin deParmetros ny K

log()

log()

n>1 dilatante

n


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El modelo propuesto por Ortega-Rivas y Svarovskyslo aplica para fluidos dilatantes, o sea aquellos en

que el valor de nes mayor que 1 y fue derivado

utilizando slidos inertes en suspensin y lageometra de Rietema. Sin embargo, ha sidoverificado para aplicaciones en fluidos biolgicos.

Para que se convierta en un modelo ms genrico,

se requiere completarlo derivando ecuaciones paralos otros fluidos relevantes de la ley de la potencia

(fluidos seudoplsticos)


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Aplicaciones Tpicas de Hidrociclonesen Separaciones Biolgicas

Refinado de almidn de maz y papa

Procesamiento de aceite de algodn Sistemas de extraccin de caf soluble


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Aplicaciones ms Recientes deHidrociclones en SeparacionesBiolgicas

Separacin de levaduras y clulas de sangre ensistemas modelo

Secado de levaduras de panadera

Separacin de levaduras de procesosfermentativos

Reciclado de kieselguhr en la industria cervecera

Espesamiento de lodos primarios Clarificacin de jugo de manzana


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Aplicaciones ms Recientes deHidrociclones en SeparacionesBiolgicas: Equipo Utilizado